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一种可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机

2021-04-08 07:17:44

一种可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机

  技术领域

  本技术涉及脉动燃烧发动机领域,提供一种可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机,在不影响脉动发动机稳定工作的前提下,有效降低脉动燃烧发动机的排气噪声,改善操作人员的作业环境。

  背景技术

  脉动燃烧是一种高效节能的特殊的周期性脉动的燃烧过程,是在特定条件下,化学燃烧过程与声脉动相互耦合而形成的。与稳态燃烧相比,其具有燃烧强度大、热效率高、节能环保等突出优点,从而开发出烟雾载药要技术和土壤消毒技术广泛应用于农林病虫害防治领域,深受广大消费者青睐。

  一般情况下,脉动燃烧过程分为点火燃烧、气体膨胀、吸入新鲜可燃物和压缩重新点火以上4个阶段。1.点火燃烧阶段:进入燃烧室的可燃混合气由火花塞点燃,燃烧伴随着放热的过程,使燃烧室内的温度和压力升高,燃烧区膨胀,燃烧产物向两端排出。2.气体膨胀阶段:当燃烧室内的压力上升到大于可燃混合气供给的压力时,化油器膜片关闭,燃烧产物沿尾管向后流出,燃烧室压力开始下降。由于气体本身有一定的惯性,燃烧产物向尾端的高速运动使得燃烧室内压力降到大气压以下燃烧室内形成负压。3.吸入新鲜可燃物阶段:在燃烧室负压作用下,化油器膜片又开启,可燃混合气自动吸入。4.压缩重新点火阶段:新鲜的可燃混合气被吸入燃烧室的同时,在负压的作用下,尾管中部分燃烧废气也以高速返回燃烧室,同样由于气流的惯性,燃烧室内的可燃混合气自动压缩,压力上升,并被高温的废气或炽热的燃烧室壁重新点燃,由此进入下一循环。这样的燃烧过程可以无限地自动循环下去,而无需火花塞再次点火。

  脉动燃烧发动机虽然具有稳态燃烧器无可比拟的优点,如燃烧强度大、热效率高、污染小、结构紧凑等突出优点,但脉动燃烧发动机也有着致命的缺陷,即噪声非常大,严重损害操作者的健康。因此有效降低脉动燃烧发动机的噪声是当务之急。经过分析,脉动燃烧发动机的噪声主要来自三个方面:燃烧噪声、进气噪声和排气噪声。其中,燃烧噪声是最主要的,它由燃烧气体的强烈振动而产生的脉动噪声,这是不可避免的;此外进气噪声对总体噪声的影响最小,单纯减小进气噪声对整体降噪效果不明显。综上分析,结合实际情况选择对排气噪声进行一定程度的抑制。针对上述情况,本技术提供了一种可显著抑制排气噪声的脉动燃烧发动机,在脉动燃烧管尾管末端加装共振消声器,旨在通过减少排气噪声的方式来达到降噪目的。

  发明内容

  本技术的目的是提供一种可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机,在不影响脉动发动机稳定工作的前提下,有效降低脉动燃烧发动机的排气噪声,改善操作人员的作业环境。

  本技术的目的是通过以下技术方案实现:

  本专利所述的可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机,包括具有化油器喉管的化油器、设置在化油器的化油器喉管外口用于间歇的往化油器内输送新鲜空气的化油器进气机构、与化油器出口相通且在脉动燃烧管喉管上设置有火花塞的脉动燃烧管,它还包括固设在脉动燃烧管的尾管外口上的共振式消声器;共振式消声器包括与尾管相通、管壁上开设有小孔的穿孔管,密封环绕设置在穿孔管外周的至少两个共振腔,各共振腔的内部体积不同,各共振腔内包容的小孔数量不同;穿孔管、尾管的内径相等。

  上述的可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机,穿孔管壁厚为t,小孔孔径为d;对于第x共振腔,其内部体积为Vx、包容nx个小孔,其能够消声的噪声频率为fx,频率为fx噪声在第x共振腔内的传导率为Gx;

  fx=(c/2π)(Gx/Vx)1/2;Gx=nxπd2/(4(t+0.8d));

  c为声音传播速度,x为正整数。

  上述的可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机,各共振腔皆为轴线与穿孔管的轴线重合的圆柱形空腔,各共振腔的内径相等为D,第x共振腔的长度为Lx;相邻的共振腔共用一个内端板;

  fx=(c/2π)(4Gx/πD2Lx)1/2。

  上述的可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机,共振腔共三个。

  上述的可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机,穿孔管的穿孔率小于5%,小孔直径为3mm~10mm。

  本技术的有益效果是:

  上述的可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机工作时:

  点火燃烧阶段

  进入燃烧室7的可燃混合气由火花塞2点燃,燃烧伴随着放热的过程,使燃烧室7内的温度和压力升高,燃烧区膨胀,燃烧产物向两端排出。

  气体膨胀阶段

  当燃烧室7内的压力上升到大于可燃混合气供给的压力时,化油器1膜片关闭,燃烧产物沿尾管8向后流出,燃烧室7内压力开始下降。由于气体本身有一定的惯性,燃烧产物向尾端的高速运动使得燃烧室7内压力降到大气压以下,燃烧室7内形成负压。

  吸入新鲜可燃物阶段

  在燃烧室7负压作用下,化油器1膜片又开启,可燃混合气自动吸入。

  压缩重新点火阶段

  新鲜的可燃混合气被吸入燃烧室7的同时,在负压的作用下,尾管8中部分燃烧废气也以高速返回燃烧室,同样由于气流的惯性,燃烧室7内的可燃混合气自动压缩,压力上升,并被高温的废气或炽热的燃烧室7壁重新点燃,由此进入下一循环。

  这样的燃烧过程可以无限地自动循环下去,而无需火花塞2再次点火。

  共振消声器4内的穿孔管12为通管且与脉动燃烧管3的尾管8等直径,结构改变小,从而减小了对气流的阻滞作用,降低了对脉动燃烧发动机工作稳定性的影响。

  脉动燃烧发动机工作过程中,排出尾管8的废气会经过共振式消声器4的穿孔管12。空气在小孔15壁面上振动摩擦,由于粘滞阻尼和热传导的作用,会使声能损耗,小孔15的声学作用是一个声阻。当入射声波的频率接近共振器的固有频率时,小孔15颈部的空气柱产生强烈振动,在振动过程中,由于克服摩擦阻力而消耗声能。经频谱分析,脉动燃烧发动机产生的排气噪声成分复杂不是单峰值频率,这些噪声频率成分中的峰值频率分别为f1,f2,fx,根据公式:

  f1=(c/2π)(G1/V1)1/2;G1=n1πd2/(4(t+0.8d));

  f2=(c/2π)(G2/V2)1/2;G2=n2πd2/(4(t+0.8d));

  fx=(c/2π)(Gx/Vx)1/2;Gx=nxπd2/(4(t+0.8d));

  分别设计第一共振腔、第二共振腔、第x共振腔的尺寸,从而分别有效吸收相对应峰值频率的排气噪声,在不影响脉动发动机稳定工作的前提下,降低脉动燃烧发动机的整体噪声水平,改善操作人员的作业环境。

  该脉动燃烧发动机,可在不影响脉动发动机稳定工作的前提下,有效克服噪声大的缺陷,改善操作人员的作业环境。

  附图说明

  图1是一种可有效降低进气噪声的脉动燃烧发动机示意图;

  图2是脉动燃烧管喉管17、燃烧室7、锥形过渡管21、尾管8等的示意图;

  图3是共振式消声器4的示意图。

  具体实施方式

  下面结合附图,对本技术作进一步说明:

  参见图1所示的一种可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机,包括具有化油器喉管16的化油器1、设置在化油器1的化油器喉管16外口用于间歇的往化油器1内输送新鲜空气的化油器进气机构、与化油器1出口相通且在脉动燃烧管喉管17上设置有火花塞2的脉动燃烧管3,化油器进气机构包括与化油器喉管 16相通的进气室18,密封设置在进气室内具有进气孔(图中未示出)的化油器进气端盖19,移动设置在进气室18内用于间歇的开闭进气孔的膜片(图中未示出);与化油器1通过法兰20连接且与化油器1出口相通的脉动燃烧管3包括脉动燃烧管喉管17,以螺纹副连接嵌设在脉动燃烧管喉管17内的火花塞2,固设在脉动燃烧管喉管17下面、与脉动燃烧管喉管17相通且一端密闭的燃烧室7,锥形过渡管21,尾管8。

  在化油器1的下端固联法兰20与固联在脉动燃烧管喉管17顶端的法兰5通过螺栓连接,在脉动燃烧管喉管17上凹设螺纹孔6与火花塞2构成螺纹连接副。

  参见图1、3,上述的可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机,还包括固联在尾管8外口上与尾管8相通的共振式消声器4;共振式消声器4包括与尾管8通过法兰10、9连接与尾管8相通、壁厚为t的管壁上开设有若干孔径为d的小孔15的穿孔管12,密封设置在穿孔管12上内部体积为V1、包容n1个小孔15、需要消声的频率为f1噪声的第一共振腔11,密封设置在穿孔管12上内部体积为V2、包容n2个小孔15、需要消声的频率为f2噪声的第二共振腔13,密封设置在穿孔管12上内部体积为V3、包容n3个小孔、需要消声的频率为f3噪声的第三共振腔14……密封设置在穿孔管上内部体积为Vx、包容nx个小孔、需要消声的频率为fx噪声的第x共振腔;频率为f1噪声在第一共振腔11内的传导率为G1,频率为f2噪声在第二共振腔13内的传导率为G2,频率为f3噪声在第三共振腔14 内的传导率为G3……频率为fx噪声在第x共振腔内的传导率为Gx;穿孔管12、尾管8的内径相等;

  f1=(c/2π)(G1/V1)1/2;G1=n1πd2/(4(t+0.8d));

  f2=(c/2π)(G2/V2)1/2;G2=n2πd2/(4(t+0.8d));

  f3=(c/2π)(G3/V3)1/2;G2=n3πd2/(4(t+0.8d));

  ……

  fx=(c/2π)(Gx/Vx)1/2;Gx=nxπd2/(4(t+0.8d));

  x为正整数。

  在穿孔管12的端部固联法兰10与固联在尾管8外口上的法兰9通过螺栓连接。

  上述的可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机,穿孔管12的穿孔率(即所有小孔15的内口面积之和与开设小孔15的一段穿孔管12内表面积之比)小于 5%(本案中,取穿孔管12的穿孔率为4%),小孔15直径为3mm~10mm(本案中,取小孔直径为6mm)。

  上述的可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机,第一共振腔11、第二共振腔 13、第三共振腔14……第x共振腔皆为轴线与穿孔管12的轴线重合的圆柱形空腔,第一共振腔11、第二共振腔13、第三共振腔14……第x共振腔的内径相等为D,第一共振腔11的长度为L1,第二共振腔13的长度为L2……第三共振腔14的长度为L3,第x共振腔的长度为Lx;相邻的共振腔(第一共振腔11、第二共振腔13、第三共振腔14……第x共振腔统称为共振腔)共用一个内端板22;则:

  f1=(c/2π)(4G1/πD2L1)1/2;

  f2=(c/2π)(4G2/πD2L2)1/2;

  f3=(c/2π)(4G3/πD2L3)1/2;

  ……

  fx=(c/2π)(4Gx/πD2Lx)1/2。

  上述的可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机,x=3。

  下面以x=3为例,介绍上述的可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机的工作过程。

  上述的可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机工作时,包括如下阶段:

  (1)、点火燃烧阶段

  进入燃烧室7的可燃混合气由火花塞2点燃,燃烧伴随着放热的过程,使燃烧室7内的温度和压力升高,燃烧区膨胀,燃烧产物向两端排出。

  (2)、气体膨胀阶段

  当燃烧室7内的压力上升到大于可燃混合气供给的压力时,化油器1膜片关闭,燃烧产物沿尾管8向后流出,燃烧室7内压力开始下降。由于气体本身有一定的惯性,燃烧产物向尾端的高速运动使得燃烧室7内压力降到大气压以下,燃烧室7内形成负压。

  (3)、吸入新鲜可燃物阶段

  在燃烧室7负压作用下,化油器1膜片又开启,可燃混合气自动吸入。

  (4)、压缩重新点火阶段

  新鲜的可燃混合气被吸入燃烧室7的同时,在负压的作用下,尾管8中部分燃烧废气也以高速返回燃烧室,同样由于气流的惯性,燃烧室7内的可燃混合气自动压缩,压力上升,并被高温的废气或炽热的燃烧室7壁重新点燃,由此进入下一循环。

  这样的燃烧过程可以无限地自动循环下去,而无需火花塞2再次点火。

  脉动燃烧发动机工作过程中,排出尾管8的废气会经过共振式消声器4的穿孔管12。空气在小孔15壁面上振动摩擦,由于粘滞阻尼和热传导的作用,会使声能损耗,小孔15的声学作用是一个声阻。当入射声波的频率接近共振器的固有频率时,小孔15颈部的空气柱产生强烈振动,在振动过程中,由于克服摩擦阻力而消耗声能。经频谱分析,脉动燃烧发动机产生的排气噪声成分复杂不是单峰值频率,选择三个主要的噪声频率成分(分别为f1,f2,f3),依据公式合理设计共振腔11、共振腔13、共振腔14的尺寸,根据公式:

  f1=(c/2π)(G1/V1)1/2;G1=n1πd2/(4(t+0.8d));

  f2=(c/2π)(G2/V2)1/2;G2=n2πd2/(4(t+0.8d));

  f3=(c/2π)(G3/V3)1/2;G2=n3πd2/(4(t+0.8d));

  可得第一共振腔11、第二共振腔13、第三共振腔14的体积V1、V2、V3。

  当第一共振腔11、第二共振腔13、第三共振腔14的内径相等为D时,根据公式:

  f1=(c/2π)(4G1/πD2L1)1/2;

  f2=(c/2π)(4G2/πD2L2)1/2;

  f3=(c/2π)(4G3/πD2L3)1/2;

  可得第一共振腔11、第二共振腔13、第三共振腔14的长度、L1、L2、L3,从而分别有效吸收相对应峰值频率的排气噪声,在不影响脉动发动机稳定工作的前提下,降低脉动燃烧发动机的整体噪声水平,改善操作人员的作业环境。

  本技术的有益效果是:

  上述的可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机,可在不影响脉动发动机稳定工作的前提下,有效克服噪声大的缺陷,改善操作人员的作业环境。

  共振消声器内的穿孔管为通管且与脉动燃烧管的尾管等直径,结构改变小,从而减小了对气流的阻滞作用,降低了对脉动燃烧发动机工作稳定性的影响。

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